Лекция 14. ГЕНЕТИКА 3. ГЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ЛЕТАЛИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА, ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

Генное взаимодействие

 

Далее мы можем добавить к наблюдениям Менделя так называемое взаимодействие генов. Этот термин может ввести в заблуждение, поскольку в лице своих материальных носителей – участков ДНК – гены с друг с другом не взаимодействуют, взаимодействуют только их продукты – белки и, реже, РНК (однако белковые продукты одних генов часто взаимодействуют с другими генами, взаимодействуя именно с ДНК последних). Речь идет о взаимодействие генов как регуляторов определенных звеньев программы развития организма.

Рассмотрим простейший случай взаимодействия генов – эпистаз. Этим термином обозначают явление, когда сама возможность фенотипического проявления какого-то гена зависит от фенотипического проявления другого гена. Возьмем опять-таки наш любимый ген гороха - a и нашу пару аллелей – А (красные цветы) и а (белые цветы). У гомозиготы аа в цветках не образуется пигмент антоциан. Возьмем второй ген – b. У него тоже есть два аллеля – дикий тип B (цветки нормального цвета) и мутантный b – цветки без пурпурного оттенка, теплого бледно-розового цвета. Другими словами, ген b определяет оттенок цветка, причем два класса четко различаются. Но чтобы этот оттенок различался, должен быть пигмент. Если нет пигмента, то нет и оттенка. Стало быть, у гомозигот аа ген b НИКАК не влияет на фенотип. Ген a подавляет проявление гена b, он эпистатичен гену b, а ген b – гипостатичен гену a.

Как будет выглядеть дигибридное расщепление по фенотипу при самоопылении двойной гетерозиготы Aa Bb? Ввиду эпистаза мы имеем всего три фенотипа, AB, Ab и a, так на фоне фенотипа a фенотип в отношении гена b не имеет смысла.

Снова скопируем подходящую таблицу и заменим все, что нужно.

 

Фенотипы

 

B

 

b

 

сумма

 

A

 

9/16

 

3/16

 

3/4

 

a

 

4/16

 

1/4

 

 

 

Получаем расщепление 9 : 4 : 3.

Это был так называемый рецессивный эпистаз – ген a влиял на проявление гена b будучи в гомозиготе по рецессивному аллелю.

Доминантный эпистаз можно проиллюстрировать на примере лошадей. Черная окраска доминирует над гнедой, но есть доминантный аллель раннего поседения, который делает лошадь серой вне зависимости от того, какой она была до поседения. Нам поэтому нужно было бы слить клеточки не нижней строки, а верхней. И для трех фенотипов – седой, черный и гнедой, мы бы получили расщепление 12 : 3 : 1.

Чаще взаимдействие генов бывает более сложным. Так, гомозигота по двум и более аномальным аллелям (чаще всего нуль-аллелям) приводит к появлению качественно новых фенотипов, не сводимых к одному из фенотипов родителей или их сумме. Вот, к примеру, у гороха есть мутация tl, которая в гомозиготе превращает все его усики в листочки. И есть другая мутация, af, которая, наоборот, превращает все листочки в ветвистые усики. Вопрос: как будет выглядить двойная гомозигота tl tl, af af ? Из общих соображений не догадаешься, такие вещи нужно проверять эмпирически. Кстати, реальный результат в чем-то похож на то, что можно ожидать от ситуации, когда горох никак не может решить, что у него должно расти – листочки или усики. Лист превращается в систему многократно ветвящихся усиков, на конце которых сидят пучки маленьких листочков.

Горох имеет сложный лист, в основании его находится пара широких прилистников, затем идет ось листа, на которой парами располагаются листочки, а затем – простые усики; лист заканчивается непарным усиком. На рисунке ниже показано, что можно сделать с листом гороха, комбинируя несколько мутаций по разным генам, влияющим на его структуру.

 

Как видим, можно даже превратить его в дваждынепарноперистый, когда на оси листа располагаются оси второго порядка, несущие листочки. Заметим, что дваждыперистый лист был характерен для предков всех бобовых растений. Оказывается, нечто подобное можно воспроизвести всего двумя мутациями.

 

Плейотропия

 

Выше мы рассмотрели случаи эпистаза, когда несколько генов влияют на один и тот же признак. Но часто встречается и противоположный случай – когда один ген влияет на несколько признаков. Это не может вызывать у нас никакого удивления, так как ранее мы уже порассуждали о том, что выделение признаков – дело субъективное, так что любой может вместо одного признака выбрать несколько, отражающих немного отличающиеся  аспекты того же явления. Однако бывают случаи, когда признаки, на которые влияет один и тот же ген, не имеют, казалось бы, ничего общего друг с другом. Мы упоминали о серповидно-клеточной анемии, при которой молекулы гемоглобина из-за замены одной аминокислоты слипаются друг с другом,  эритроциты принимают неправильную форму, эффективность транспорта кислорода по крови резко ухудшается. Жизнеспособность детей, гомозиготных по аллелю серповидно-клеточной анемии, резко снижена и они, как правило, не доживают до взрослого состояния. У гетерозигот по аномальному аллелю половина молекул гемоглобина нормальна, и этого оказывается достаточно для нормального функционирования крови. Однако в таких эритроцитах не может жить малярийный плазмодий, поэтому гетерозиготы не болеют малярией. Такое их преимущество и привело к тому, что мутантный аллель получил широкое распространение в Африке. Заметим, что он не может вытеснить нормальный аллель, так как среди фенотипов частота успешных гетерозигот должна остоваться выше частоты гомозигот, больных серповидно-клеточной анемией. - естественный отбор в пользу гетерозигот должен оставаться более эффективным, чем естественный отбор против гомозигот. Таким образом, мы видим влияние одной мутации на два признака – эффективность транспорта кислорода кровью и устойчивость к малярии. Однако если мы разберемся в подоплеке этих влияний, то увидим, что оба они сводятся к хрупкости эритроцитов. Поскольку молекулярный продукт одного локуса как правило выполняет только одну молекулярную функцию, плейотропии исчезает, когда мы переходим с уровня организма как целого к процессам на более низком уровне – клеточном или молекулярном.

Все знают так называемых рыжих людей. На самом деле далеко не у всех их волосы действительно имеют рыжий цвет, зачастую они выглядят светло-русыми. Однако вы легко распознаете рыжего человека даже на черно-белой фотографии. И сколько бы девушка не красилась в огненный цвет, она от этого не станет рыжей. У рыжих есть нечто неуловимо общее в форме лица, в скулах и посадке глаз. Кроме того, у них бледная кожа, много веснушек, они легко сгорают на солнце и не способны загорать. На биохимическом уровне у рыжих людей дефектен клеточный рецептор к гормону меланокортину, который стимулирует в клетках химическое преобразование красноватого пигмента феомеланина в более темный пигмент эумеланин. Рыжие люди мутантны по этому рецептору, у них вырабатывается меланокортин, но компетентные в отношении него клетки (в данном случае термин самоочевиден) оказываются к нему нечувствительными. Это хорошо объясняет, почему у них бледная кожа и красноватые волосы. Влияние на черты лица совершенно неочевидно. Возможно, он имеет отношение не к пигментации, а к какой-то другой функции гормона меланокортина.

Есть порода кошек, отличающаяся белой шерстью, голубыми глазами и глухотой. Все три признака определяются одним и тем же мутантным аллелем. У людей также есть нечто подобное – бывают люди с голубым оттенком белков глаз и у них часто бывают дефектны слуховые косточки, что в подростковом возрасте приводит их к глухоте.

 

 

Летали

 

Рассмотрим еще одно явление, изменяющее менделевские соотношения. Допустим, в моногибридном расщеплении мы получили вместо ожидаемого расщепления 3:1 нечто около 5:1 или 7:1. Причем все было нормально – изначально имелись две гомозиготы, получилась гетерозигота с доминантным фенотипом, а во втором поколении – такая вот незадача! Мы вынуждены предположить, что гаметы, несущие разные аллели, имеют неодинаковую выживаемость или конкурентоспособность, однако какое-то их количество все же участвует в оплодотворении и они совместимы с жизнью, о чем говорит само существование гомозигот.

В главе о мейозе мы упоминали о летальных генах, или леталях, – тех, которые убивают своего носителя. Здесь под «генами» мы не можем подразумевать ничего, кроме аллелей, так как летальных локусов быть не может – на ДНК не может возникнуть специального участка с особой функцией убивать своего носителя. А вот летальные аллели очень даже нередки. Обычно это «сломанные» функциональные аллели, не способные производить жизненно важный функциональный белковый (или РНК-) продукт.

Следует оговорить, что речь идет о смерти до размножения. Вы знаете проходных лососевых рыб, умирающих сразу же после нереста (и тем самым добавляющих органики в водоемы, где выплодится их молодь, так чтобы для нее могла сформироваться кормовая база). Вы также знаете, что большинство рыб нерест не убивает, и наверняка таковы же были предки лососевых. По-видимому, в эволюции лососевых зафиксировалась в качестве полезной мутация, убивающая родителей после нереста. Однако такую мутацию нельзя назвать леталью, так как она не препятствует (а даже способ ствует) размножению. С другой стороны, любая мутация, которая делает организм стерильным, т. е. неспособным размножаться, в популяционном и эволюционном смысле эквивалентна летали, хотя бы сам ее носитель процветал и наслаждался жизнью. (Как правило, если организм не тратится на размножение, все сэкономленные ресурсы идут на его собственные нужды. Стерильные растения, к примеру, обычно пышно разрастаются.) Да и на людях эта закономерность прослеживается великолепно.

Как правило, летали рецессивны – это означает, что если летальный аллель оказывается в гетерозиготе с нормальным, то нормального аллеля, который кодирует полноценный продукт, хватает для обеспечения жизнеспособности носителя. Такие мутации не имеют других фенотипических проявлений помимо летальности в гомозиготе (поэтому у них как правило нет осмысленных названий). Теоретически ничто не препятствует и существованию доминантных леталей, убивающих своего носителя даже в гетерозиготе. Допустим, дефектная копия белка оказалась способной блокировать какой-то жизненно важный процесс. Однако доминантная леталь исчезает вместе со своим носителем сразу же или вскоре после своего возникновения и мы никогда не сможем ее зарегистрировать, тогда как ДНК, содержащая рецессивную леталь, в составе гетерозиготы будет реплицироваться и о ее существовании мы можем догадаться по генетическому расщеплению в потомстве, прежде всего по недостатку носителей аллелей сцепленных с ней локусов (об этом ниже). Иногда летальный аллель может иметь нелетальное проявление в гетерозиготе. У овчарок колли существует седая форма. Такие собаки гетерозиготны по некоему аллелю, который в гомозиготе летален. Соответственно этот аллель доминантен в отношении своего видимого проявления, но рецессивен в качестве летали. При скрещивании седых колли с нормальными он ведет себя как обычный доминантный аллель, обеспечивая расщепление седых и неседых собак как 1:1. При скрещивании же двух седых собак мы вместо соотношения 3:1 получим соотношение 2:1 – верный признак, что гомозигота по «седому» аллелю нежизнеспособна.

У растений существует особый класс гаметофитных леталей – летальных аллелей по локусам, имеющих жизненно важную функцию в гаплоидном поколении. Диплоидное растение, содержащее такую леталь в гетерозиготе, будет нормальным, но половина его гаметофитов, получившая в мейозе хромосому, несущую гаметофитную леталь, будет погибать. Если летальность проявляется в мужском гаметофите, то у такого растения половина пыльцы будет стерильна. Такую пыльцу можно легко регистрировать в виде пустых пыльцевых зерен, поскольку стенка пыльцевого зерна нарабатывается еще диплоидной клеткой до ее вступления в мейоз.

По сути, летальность является одной из форм взаимодействия генов, поскольку представляют собой испорченные узлы генной сети, приводящей к формированию и функционированию полноценного организма. Взаимодействие генов следует понимать именно на информационно-управленческом уровне.

Кроме генного взаимодействия на летальность аллеля может влиять так называемое взаимодействие генотип–среда. Некий аллель может быть вполне жизнеспособным в одних условиях и летальным в других. К примеру, многие бактерии способны расти, расщепляя широкий спектр органические веществ, присутствующих в среде их обитания. Допустим, кишечная палочка может усваивать многие вещества, образующиеся при переваривании пищи. Если ферментная система по расщеплению какого-то из них, допустим лактозы, будет нарушена, бактерия «не заметит» этого и будет усваивать другие. Но если мы специально поместим бактерии на бедную среду, в которой не будет ничего «съедобного», кроме лактозы, то мутация по лактатдегидрогеназе, к примеру, окажется летальной.

 

 

Генетическое сцепление

 

Представим себе, что у нас есть некий объект, который мы можем скрещивать и проводить анализ генетического расщепления в потомстве. Это может быть горох, плодовая мушка, кошки. Допустим, мы выявили у него два альтернативных признака и убедились, что они соответственно контролируются двумя генами – a и b, каждый из которых представлен двумя аллелями – A, a – и соответственно – B, b. Причем в каждой паре аллель, обозначенный заглавной буквой, доминирует над обозначенным строчной. Иными словами, создается самая типичная генетическая ситуация. Допустим, мы получили две линии, гомозиготные соответственно по A, B и a, b, скрестили их между собой, убедились в единообразии поколения F1 (проявляющее, как ему положено, фенотип A, B), скрестили особей этого поколения друг с другом и получили потомство F2. Мы собираемся наблюдать дигибридное расщепление, в котором количество потомков четырех возможных фенотипов будет флуктуировать вокруг ожидаемого соотношения 9 : 3 : 3 : 1. А получаем всего два класса фенотипов, идентичных фенотипам родительским линиям, в соотношении, представленном в таблице.

 

Фенотипы

 

A

 

a

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые
сумма и соотношение

 

B

 

98

 

0

 

98

 

96 (3/4

 

b

 

0

 

30

 

30

 

32 (1/4)

 

Сумма наблюдаемая

 

98

 

30

 

128

 

128

 

Ожидаемые сумма и соотношение

 

96 (3/4)

 

32 (1/4)

 

128

 

 

 

 

Или рассмотрим такую же ситуацию, но пусть два аллеля гена а, a1 и a2 проявляют кодоминирование, т. е. мы умеем отличать гетерозиготы по этому гену от обоих типов гомозигот. В подобной ситуации мы получили бы в F2 шесть возможных фенотипов. И вот мы снова столкнулись с тем, что в реальном потомстве не все из них оказались представлены. Путь мы получили расщепление, приведенное в таблице.

 

Фенотипы

 

a1 a1

 

a1 a2

 

a2 a2

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые
сумма
и соотношение

 

B

 

33

 

65

 

0

 

98

 

96 (3/4)

 

b

 

0

 

0

 

30

 

30

 

32 (1/4)

 

Сумма
наблюдаемая

 

33

 

65

 

30

 

128

 

128

 

Ожидаемые сумма
и соотношение

 

32

(1/4)

 

64 (2/4)

 

32

(1/4)

 

128

 

 

 

 

И наконец, если кодоминирование проявляют оба гена, вместо девяти ожидаемых фенотипических классов мы можем получить в F2 всего три, к примеру, в таких соотношениях, которые представлены в таблице.

 

Фенотипы

 

a1 a1

 

a1 a2

 

a2 a2l

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые сумма

и соотношение

b1 b1

 

33

 

0

 

0

 

33

 

32 (1/4)

 

b1 b2

 

0

 

65

 

0

 

65

 

64 (2/4)

 

b2 b2

 

0

 

0

 

30

 

30

 

32 (1/4)

 

Сумма наблюдаемая

 

33

 

65

 

30

 

128

 

128

 

Ожидаемые сумма
и соотношение

 

32 (1/4)

 

64 (2/4)

 

32

(1/4)

 

128

 

 

 

 

Нетрудно видеть, что все три таблицы, по сути, показывают одно и то же расщепление, но так, как если бы наша способность различать генотипы по фенотипам с каждым разом увеличивалась. Иначе говоря, представлены такие цифры, которые дали бы нам расщепление, идентичное приведенному в последней таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену b и объявили, что аллель b1 доминирует над b2, и расщепление, идентичное таковому в первой таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену a.

Мы видим, что каждое моногибридное расщепление фенотипов, т. е. расщепление, рассмотренное отдельно по гену a и гену b, очень близко к теоретически ожидаемому – 96 : 32 для генов, в которых наблюдается доминирование одного аллеля над другим, и 32 : 64 : 32 для генов с кодоминирующими аллелями. В то же время дигибридное расщепление одновременно по двум генам не имеет ничего общего с ожидаемым. А именно аллели двух генов ведут себя как единое целое. Все те гибриды F2, которые несут аллель a1, одновременно оказываются несущими аллель b1, и нет ни одного носителя аллеля b1, который не нес бы аллель a1. Какой мы можем сделать отсюда вывод?

Казалось бы, самый естественный вывод такой: на самом деле мы имеем дело с одним и тем же геном, который проявляет плейотропию, влияя одновременно на оба наших признака. Выяснив механизм наследования каждого признака по отдельности, мы предположили, что они контролируются каждый своим геном, a и b, а на самом деле это один и тот же ген. Аллель a1 является аллелем b1 и т. д. Это очень логичное предположение, и зачастую так и оказывается. Можно также предположить, что гены эти все же разные, но по какой-то причине аллель a1 всегда наследуется вместе с аллелем b1, а аллель a2 – с аллелем b2. Как если бы эти аллели разных генов были сцеплены друг с другом.

В трех нижеследующих таблицах приведем еще несколько примеров расщеплений, причем не умозрительных, а взятых из наших собственных опытов с горохом, опубликованных в журнале Pisum Genetics («Генетика гороха»). В первом и втором случае сохраняем настоящие обозначения генов. Аллель Astr определяет наличие фиолетовых пятен на бобах и доминирует над аллелем astr, пятен не вызывающих. Аллель D определяет наличие пурпурного кольца в основании прилистников и доминирует над аллелем d, кольца не формирующим. Аллель tl в гомозиготе приводит к тому, что на месте усов у гороха формируются листочки. У гетерозигот Tl tl усы имеются, но если присмотреться, то вдоль каждого из них идет узкая листовая пластинка, т. е. они проявляют некоторую тенденцию к превращению в листочки. У гомозигот Tl Tl усики в сечении четырехгранные, без пластинки. Обозначениями a1, a2 и b1, b2 заменены громоздкие обозначения кодоминантных генов.

 

Фенотипы

 

D

 

d

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые сумма

и соотношение

Astr

 

68

 

2

 

70

 

67,5 (3/4)

 

astr

 

3

 

17

 

20

 

22,5 (1/4)

 

Сумма
наблюдаемая

 

71

 

19

 

90

 

90

 

Ожидаемые
сумма
и соотношение

 

67,5 (3/4)

 

22,5

(1/4)

 

90

 

 

 

 

p = 6,0 ± 2,6.

 

(В этом примере мы, между прочим, видим, что теоретически ожидаемые численности фенотипов не являются круглыми целыми числами, что лишний раз указывает на невозможность получения «точных» расщеплений в реальных ситуациях, а лишь на возможность получать фактические расщепления, более или менее к ним приближающиеся.)

 

Фенотипы

 

Tl Tl

 

Tl tl

 

tl tl

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые сумма
и соотношение

 

Astr

 

23

 

56

 

4

 

83

 

84,75 (3/4)

 

astr

 

2

 

10

 

18

 

30

 

28,25 (1/4)

 

Сумма наблюдаемая

 

25

 

66

 

22

 

113

 

113

 

Ожидаемые сумма
и соотношение

 

28,25 (1/4)

 

56,5 (2/4)

 

28,25 (1/4)

 

113

 

 

 

 

p = 16,6 ± 3,8.

 

Фенотипы

 

a1 a1

 

a1 a2

 

a2 a2l

 

Сумма
наблюдаемая

 

Ожидаемые сумма

и соотношение

b1 b1

 

18

 

5

 

1

 

24

 

24,25 (1/4)

 

b1 b2

 

5

 

41

 

6

 

52

 

48,5 (2/4)

 

b2 b2

 

0

 

6

 

15

 

21

 

24,25 (1/4)

 

Сумма
наблюдаемая

 

23

 

52

 

22

 

97

 

97

 

Ожидаемые сумма
и соотношение

 

24,25 (1/4)

 

48,5 (2/4)

 

24,25

(1/4)

 

97

 

 

 

 

p = 13 ± 3.0.

 

В этих расщеплениях мы наблюдаем все теоретически ожидаемые классы, за исключением класса a1 a1, b2 b2 в последней таблице. Однако наблюдаемые численности тех классов, в которых комбинации признаков не совпадают с признаками непосредственных родителей F1 и участвовавших в скрещивании родительскими линиями, гораздо ниже теоретически ожидаемых для дигибридного расщепления.

Все эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Если первые три таблицы этого раздела иллюстрировали случаи абсолютного сцепления аллелей разных генов, унаследованных от одного родителя, то в трех последних аллели также сцеплены и как правило наследуются вместе, но в определенном проценте случаев они рекомбинируют, образуя сочетания (например D Astr или a1 b2), не свойственные родителям.

Не напоминает ли вам это что-либо из того, что мы успели изучить ранее? Хотя бы лексически, из слова «рекомбинация». Да, эта феноменология хорошо соответствует поведению хромосом в мейозе. Каждая пара гомологов распределяется между образовавшимися в мейозе гаплоидными клетками независимо от других пар гомологов. Это соответствует независимому наследованию генов, рассмотренному на предыдущей лекции. Если два разных гена располагаются в одной и той же хромосоме, то их аллели, принадлежащие каждому из гомологов, должны были бы быть сцеплены и наследоваться всегда вместе. Однако, как вы помните, в профазе мейоза гомологи обмениваются между собой участками ДНК за счет процесса, называемого рекомбинация, или кроссинговер. Если рекомбинация произойдет между двумя локусами, то аллели этих локусов образуют новые сочетания, не имевшие места у гомологов до мейоза. Когда в начале XX в. группа энергичных выдающихся генетиков под руководством Томаса Моргана обратила внимание на этот параллелизм между наследованием некоторых признаков и поведением хромосом в мейозе, ею была выдвинута хромосомная теория наследственности, предполагавшая, что именно хромосомы являются материальными носителями наследственности. Эта теория, как вы знаете, подтвердилась блестящим образом.

Любопытно, что Менделю не встретился ни один случай генетического сцепления, который шел бы вразрез с его предположением о независимой комбинации наследственных задатков. Остается только гадать, что было бы, если бы он с ними столкнулся, – задержалось ли бы возникновение генетики как науки либо Мендель смог бы дополнить свою теорию представлением о генетическом сцеплении. Не исключено даже, что он на самом деле получил и данные такого рода, но оставил их под сукном в надежде разобраться с ними специально.

Расщепление гибридов поколения F2 между прочим позволяет с определенной степенью точности оценить частоту (p), с которой в мейозе происходит рекомбинация между сцепленными генами. Под каждой таблицей приведено наиболее вероятное значение p, вычисленное на основании приведенного в ней расщепления. Однако, в силу того что под личиной некоторых фенотипов у нас скрываются несколько генотипов, эта процедура не самая простая и требует решения уравнений от квадратных до четвертой степени (что конечно же в наше время компьютеров труда не составляет).

Мы могли бы определять эту величину точнее, если бы имели точную информацию о генотипе каждого потомка. Этого несложно достигнуть, если применить знакомое нам анализирующее скрещивание. Напомним, что анализирующее скрещивание состоит в скрещивании гибридов поколения F1 с особями, гомозиготными по рецессивным аллелям исследуемых генов. Такие индивидуумы (как правило, они представляют собой чистую линию) называются тестером. В привычных для нас обозначениях для двух генов это будет скрещивание

Aa, Bb x aa, bb.

Действительно, в потомстве от такого скрещивания гомолог, пришедший от второго родителя, несет лишь рецессивные аллели, так что мы всегда можем сказать, получили ли мы от первого родителя доминантный или рецессивный аллель. Кроме того, мейоз у гомозиготного второго родителя не порождает никаких новых сочетаний генов, так что по расщеплению в потомстве мы можем судить о продуктах мейоза только у первого родителя. Таким образом, мы можем напрямую подсчитать соотношение хромосом, в которых у первого родителя прошла и не прошла рекомбинация между исследуемыми генами. В таблице приведен пример генетического расщепления в анализирующем скрещивании.

 

Фенотипы

 

B

 

b

 

Сумма

 

А

 

28

 

8

 

36

 

a

 

5

 

25

 

30

 

Сумма

 

33

 

33

 

66

 

 

 

Здесь фенотипические классы A B и a b представляют нерекомбинантные хромосомы, унаследованные от исходных родителей гетерозиготы Aa, Bb, а классы A b и a B представляют хромосомы рекомбинантные. Процент кроссинговера может быть найден путем деления суммарного количества представителей рекомбинантных классов на общее число потомков. В нашем случае это будет 13 / 66= 19,7.

Как мы уже говорили, мейотическая рекомбинация, как правило, может пройти в любом месте хромосомы, и точки, в которых она происходит, случайны. (На самом деле два рекомбинантных события обычно не происходят слишком близко друг к другу, по крайней мере делают это реже, чем если бы процесс был совершенно случаен. Это явление называется интерференцией.) Логично предположить, что чем дальше гены расположены на хромосоме, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер. Это именно так и есть. Тем самым процент рекомбинации является мерилом расстояния между генами. На этом основано построение рекомбинационных генетических карт , которые назывались просто генетическими картами тогда, когда не было физических генетических карт, где расстояние между генами напрямую измерено в количестве пар нуклеотидов в ДНК – они появились лишь в последние десятилетия.

Как правило, рекомбинационные и физические генетические карты неплохо соответствуют друг другу, однако у большинства генетических объектов рекомбинационная карта оказывается сокращенной вблизи центромер и растянутой вблизи концов хромосом. Мы помним, что центромера обычно характеризуется наличием многократно повторенных друг за другом голова-к-хвосту последовательностей ДНК. Дело в том, что в таких местах рекомбинационные узелки часто ошибаются "номером" повтора и осуществляют неравный кроссинговер, при котором число повторенных копий в одном гомологе увеличивается, в другом - уменьшается. Чтобы избежать этого, интенсивность рекомбинации в таких местах специально подавляется (и тем не менее, неравный кроссинговер - один из основных механизмов изменения числа копий повторенных районов ДНК). Опять-таки мы помним, что в метафазе первого деления мейоза биваленты удерживаются хиазмами, так что для правильного расхождения гомологов необходима хотя бы одна хиазма на бивалент, а лучше две - по обоим концам хромосомы. В начале профазы мейоза спаривание гомологов начинается с концов. Чтобы гарантировать наличие хиазм, одна хиазма для надежности как правило помещается вблизи конца хромосомы. Каждая хиазма означает один акт кроссинговера, в результате рекомбинация вблизи конца хромосомы идет с повышенной частотой.

На рисунке ниже показаны рекомбинационные отношения (в %) между несколькими сцепленными генами гороха (слева) и рекомбинационная генетическая карта гороха на обложке международного журнала Pisum Genetics (Генетика гороха).

В некоторых случаях рекомбинация подавляется и в других участках хромосом. В частности, там, где эволюционно выгодно сохранять удачные комбинации аллелей разных локусов. Такие наследуемые всегда вместе группы аллелей разных локусов называются супергенами. У некоторых тропических бабочек есть такое явление – бейтсовская мимикрия: самки некоторых видов бабочек «подделываются» благодаря сходству крылового рисунка под неродственных им несъедобных бабочек и тем самым избегают атак хищников (птицы). При этом самки каждого вида полиморфны и каждая морфа подделывается под свой вид ядовитых бабочек. Смысл этого явления в том, что мимика (того, кто изображает) должно быть меньше, чем модели (того, кого изображают), иначе птицы не будут научаться ассоциировать этот облик с несъедобностью и мимикрия станет неэффективной. Так вот, каждая такая морфа кодируется одним супергеном. Иногда такие виды попадают в области, где модель отсутствует. В таких местах контроль за рекомбинацией ослабевает и локусы, ранее объединенные в суперген, начинают рекомбинировать. Это приводит к появлению самок с произвольными комбинациями признаков окраски разных морф. (Оговоримся, что контроль за рекомбинацией не возникает при первой необходимости, а достигается путем естественного отбора в длинном ряду поколений.)

У некоторых организмов, например у ржи, рекомбинация подавлена вдоль всей хромосомы, но с необходимостью происходит возле ее концов. Это нужно для того, чтобы в мейозе на каждую пару гомологов (бивалент) приходилась как минимум одна хиазма, иначе гомологи не будут правильно расходиться в метафазе первого деления мейоза. Данное явление называется локализованные хиазмы.

Приведем несколько замечаний по поводу генетических карт:

– генетические карты линейны, так как гены расположены на одномерной нити ДНК (это самоочевидно, но стоит напомнить);

– генетические карты одного организма представлены отрезками, количество которых равно гаплоидному числу хромосом, так как локусы распределены по всем хромосомам. Локусы, расположенные на одной хромосоме, образуют одну группу сцепления;

– если физическое расстояние между сцепленными генами достаточно велико, то в одном мейозе между ними может произойти более одного акта кроссинговера. Нетрудно заметить, что если их будет два, то с точки зрения рекомбинации генов ничего не произойдет. Если первый обмен меняет родительскую комбинацию аллелей разных локусов на противоположную, то второй обмен ее восстанавливает. Три обмена по результату ничем не отличаются от одного и т. д. Если расстояние между локусами слишком велико, то вероятность сохранения и обращения родительских комбинаций их аллелей выравнивается. В результате вероятность рекомбинации между их аллелями не может превысить 50 % и стремится к этой цифре по мере увеличения физического расстояния между генами;

– как следствие если мы имеем на хромосоме три последовательно расположенных локуса a, b и с, то наблюдаемое в опыте рекомбинационное расстояние между локусами a с будет меньше суммы расстояний a b и b  c, так как в совместном расщеплении генов a и с мы не будем видеть результатов двух одновременных рекомбинационных событий, произошедих между a и b и между b и c соответственно, но учтем их при анализе совместного расщепления этих пар генов. Поэтому рекомбинационные генетические карты составляются на основании расстояний между близко сцепленными генами, когда вероятностью двойного кроссинговера можно пренебречь. Кроме того, применяются специальные картирующие функции;

– единицей измерения рекомбинационных расстояний является сантиморган (сМ). Он назван так в честь упоминавшегося выше основного автора хромосомной теории наследственности, Нобелевского лауреата Томаса Моргана. На малых расстояниях 1 сМ соответствует 1 % рекомбинации;

– в силу своей физической природы, общее число актов генетической рекомбинации в одном мейозе равно общему числу хиазм. Поскольку каждая хиазма осуществляет рекомбинацию с вероятностью 100 %, общая длина рекомбинационной карты для организма равна 100 n / 2 сМ, где n – среднее число хиазм на мейоз. Деление на два необходимо оттого, что в каждой видимой хиазме может участвовать любая из двух сестринских хроматид каждого гомолога, тогда как вторая не участвует в рекомбинации.

 

Определение пола

 

Когда мы с вами скрещивали гетерозиготу с гомозиготой по рецессивному аллелю, т. е. проводили анализирующее скрещивание, то у нас получалось расщепление 1 : 1. Если ничто не влияет на жизнеспособность гамет, оно выполняется с хорошей точностью. Хотелось бы напомнить вам, что есть еще одна очень хорошо всем нам известная ситуация, в которой наблюдается генетическое расщепление потомства в отношении 1 : 1, выполняющееся с удивительной точностью. Не догадываетесь? Это расщепление по полу, расщепление на мужчин и женщин. Возникает законный вопрос: нет ли между этими двумя случаями какой-либо аналогии. Аналогия есть, и самая полная! Все мужчины всегда гетерозиготны, а женщины гомозиготны. Но не по аллелю какого-то гена, а по целой хромосоме. У человека среди 23 пар гомологичных хромосом одна пара является парой половых хромосом. Хромосомы всех остальных пар называются аутосомами. У всех женщин эта пара представлена одинаковыми гомологичными хромосомами, называемыми Х-хромосомами. У мужчин эта пара гомологов неравная. Одна из них представлена такой же Х-хромосомой, как и у женщин, другая является так называемой Y-хромосомой, которая гораздо меньше. Y‑Хромосома содержит очень мало генов. Но именно там находится ген, который делают мужчин мужчинами. Он кодирует определенный белок, который связывается с ДНК и активирует другой ген, запускающий цепочку следующих химических сигланов, заставляющий половые органы развиваться в семенники. Если этот белок не появляется, то половые органы развиваются в яичники, так что пол по умолчанию у нас женский. Развитие всех остальных половых признаков определяется гормонами, выделяемуми семенниками либо яичниками.

Гомозигот по Y‑хромосоме не бывает, так как два ее носителя – оба мужчины – не в состоянии скреститься друг с другом; и даже если бы были в состоянии, то такая гомозигота была бы лишена множества жизненно-необходимых генов, присутствующих в Х-хромосоме и отсутствующих в У-хромосоме. Две женщины также не в состоянии скреститься, но они (будучи гомозиготами по Х‑хромосоме) образуются за счет того, что у мужчин половина гамет (сперматозоидов) несет Х-хромосому, которая встречается с несущей Х-хромосому гаметой (яйцеклеткой), образуемой матерью (а женщины как гомозиготы не образуют других вариантов гамет). Другая половина сперматозоидов несет Y-хромосому и, объединяясь с несущей Х-хромосому яйцеклеткой, дает мужчин. Таким образом, «скрещивание» между мужчинами и женщинами – всегда анализирующее и всегда дает расщепление по фенотипу «пол» 1 : 1.

Х-Хромосома кодирует множество полезных генов, которые оказываются у женщин в двойной дозе, а у мужчин – в одинарной (гемизиготе). Обычно такие вещи, как изменение дозы множества генов, не проходят для организма безнаказанно. Мы видели в случае генов, проявляющих доминирование, что организму зачастую неважно, содержится ли в ядре одна или две копии какого-то функционального гена (допустим, кодирующего фермент). Однако существуют регуляторные гены, белковые продукты которых представляют собой управляющие сигналы для других генов и синтезируются в считанном количестве молекул, и изменение их дозы может иметь критические последствия для организма. Чтобы скомпенсировать этот эффект, в каждой клетке женщины одна из Х-хромосом случайным образом инактивируется и плотно упаковывается. Это явление называется лайонизация в честь изучившей механизмы этого явления Мэри Лайон. Таким образом, все женщины – генетические мозаики. В их клетках случайным образом работает только одна из двух гомологичных Х-хромосом, полученных от отца и матери. У кошек этот мозаицизм можно наблюдать непосредственно. Все видели черепаховых кошек с окраской из чередующихся рыжих и серых пятен. Это всегда кошки, и никогда коты. Дело в том, что ген рыжеволосости у них расположен в Х-хросомоме (в отличие от человека, где он находится в одной из аутосом). Если кошка гетерозиготна по нормальному и «рыжему» аллелю, случайная инактивация одной из Х-хромосом в клеточных клонах, из которых впоследствие развиваются пигментированные клетки, как раз и приводит к такой пятнистой масти.

У такого популярного генетического объекта, как «плодовая мушка» дрозофила, пол определяется примерно так же, как и у нас. Однако есть и разница – лайонизации у нее нет, зато есть некий компенсаторный механизм, активирующий гены единственной Х-хромосомы у самцов. Кроме того, у них, в отличие от нас, мужской пол зависит не от присутствия Y-хромосомы, а от соотношения дозы X хромосомы и набора аутосом. Пол определяется соотношением продуктов генов «числителей», находящихся в Х-хромосомах, и «знаменателей», находящихся в аутосомах, которые конкурируют за регуляторную область гена, экспрессия которого направляет развитие мухи в отношении того или иного пола. И у человека, и у дрозофилы крайне редко возникают аномальные особи, у которых имеется сразу три половые хромосомы – две Х и одна Y. У людей такие индивидуумы являются мужчинами, а у мух – самками.

Такая система определения пола – не единственная, встречающаяся у животных. У таких неродственных (но почему-то красивых и летающих) групп, как птицы и бабочки, все наоборот: две одинаковые половые хромосомы имеют самцы, а разные – самки. (Говорят, что у людей гетерогаметный пол мужской, а у бабочек – женский). В некоторых группах у самок присутствуют две Х-хромосомы, у самцов – одна, а У-хромосомы нет. Иногда половых хромосом бывает много – до семи Х и семи У-хромосом  у ехидны.

Многие животные – гермафродиты, например улитки. Другие, например некоторые рыбы, способны менять пол по мере надобности. Тли все лето размножаются партеногенетически, т. е. самки рождают идентичных себе дочерей без оплодотворения. Однако при ухудшении условий, особенно осенью, в их потомстве появляются самцы, с тем, чтобы они оплодотворяли самок и вследствие генетической рекомбинации получались новые сочетания генов, которые могут оказаться полезными в меняющейся среде. Пол большинства рептилий определяется температурой, при которой развивались яйца. Исследования половых хромосом показали, что они возникли независимо в разных крупных группах живых организмов (таких как млекопитающие или птицы), былвших первоначально гермафродитами или пол которых определялся условиями развития..

 

Наследование, сцепленное с полом

 

Как мы уже говорили, Х-хромосома содержит множество генов, тогда как в Y-хромосоме генов очень мало. В результате аллели локусов Х-хромосомы у самцов (мужчин) находятся в гемизиготе, т. е. в единственной копии, не имеющей своей визави, тогда как самки (женщины) имеют, как и в случае «обычных хромосом», т. е. аутосом, по два аллеля, полученных от отца и от матери, которые могут оказаться в гомозиготе и гетерозиготе. Это приводит к определенным особенностям наследования признаков, кодируемых генами, расположенными в половых хромосомах, иногда их довольно нестрого называют перекрестным наследованием, или крисс-кросс-наследованием. Проще всего рассмотреть это явление на примере наследования цвета глаз у мушки дрозофилы. Глаза у нее в норме красные, красный цвет может быть разных оттенков, что определяется многими генами, но есть один ген, обозначаемый w (от white) и локализующийся в Х-хромосоме, который кодирует белок, транспортирующий пигмент в клетки глаза, потеря функции которого приводит к тому, что глаза становятся не окрашенными, т. е. белыми. Аллель, не способный производить нормальный белок, принято обозначать маленькой буквой w, нормальный аллель – большой буквы W.

Если самец имеет красные глаза, то из наших знаний о природе гена W и его локализации на Х-хромосоме мы должны заключить, что он гемизиготен по нормальному (функциональному) аллелю W. Пусть у нас есть белоглазые самки. Если данный фенотип вызван аллелем w (а есть и другие гены с таким эффектом), то они должны быть гомозиготны по аномальному (мутантному) аллелю, ww. Скрестим тех самцов с этими самками. Наши самки производят одинаковые яйцеклетки, несущие аллель w. Сперматозоиды же самцов несут либо Y-хромосому, на которой нет аллелей нашего гена, либо Х-хромосому, несущую аллель W. Сливаясь с яйцеклетками, сперматозоиды первого типа дадут самцов, гемизиготных по аллелю w, так как единственная их Х-хромосома получена от матери. Не имея ни одного функционального аллеля рассматриваемого гена, все эти самцы будут белоглазыми. Сперматозоиды второго типа будут давать гетерозиготных самок Ww, которые будут иметь красные глаза. Итак, мы взяли белоглазых самок и красноглазых самцов, а получили красноглазых самок и белоглазых самцов – пола поменялись цветами. Такие случаи и привели к понятию «перекрестное наследование». Но это лишь метафора, описывающая именно такую ситуацию – скрещивание самок, гомозиготных по рецессивному аллелю с самцами, гемизиготными по доминантному аллелю. Теперь скрестим самцов и самок первого поколения друг с другом. Все наши самки являются гетерозиготами Ww и соответственно проихводят яйцеклетки двух типов, несущие один из аллелей. Самцы также производят сперматозоиды двух типов, несущие либо Х-хромосому с аллелем w, от которых родятся самки, либо Y-хромосому, от которых родятся самцы. Поскольку самцы лишены нормального аллеля W и не передают его в потомство, цвет глаз потомства никак не зависит от отца и целиком определяется аллелем, полученным от матери. Таким образом, мы имеем аналог анализирующего скрещивания, и во втором поколении гибридов получаем соотношение красноглазых и белоглазых мух 1 : 1 независимо от пола.

Теперь скрестим белоглазых самцов, которые, как мы знаем, гемизиготны по аллелю w, с красноглазыми самками, гомозиготными по нормальному аллелю, WW. Наши самки производят одинаковые яйцеклетки, несущие аллель W. Сперматозоиды же самцов несут либо Y-хромосому, на которой нет аллелей нашего гена, либо Х-хромосому, несущую аллель w. Сливаясь с яйцеклетками, сперматозоиды первого типа дадут самцов, гемизиготных по аллелю W, так как единственная их Х-хромосома получена от матери. Сперматозоиды второго типа будут давать гетерозиготных самок Ww. Нетрудно понять, что все эти гибридные мухи первого поколения (F1) будут красноглазыми, так как имеют как минимум один функциональный аллель W. В этом случае цвет глаз поменял мужской пол – все родительские самцы были белоглазые, все самцы первого поколения гибридов – красноглазыми. Однако цвет глаз женского пола остался какой и был. Давайте теперь скрестим самцов и самок первого поколения друг с другом. Поскольку все дочери всегда получают одну Х-хромосому от отца, а в нашем случае она несет аллель W, то все они будут красноглазыми (а их генотипы будут представлены двумя классами, Ww и WW, в соотношении 1 : 1). Сыновья получают от отца Y-хромосому, но ни одного аллеля нашего гена. Таким образом, их цвет глаз целиком определяется аллелем, полученным от матери. Все матери первого поколения гибридов являются гетерозиготами Ww, производят поровну гаметы, несущие аллели W и w, и таковы же будут генотипы и их соотношение у сыновей. Так что в данной ситуации самцы второго поколения будут поровну и красноглазыми, и белоглазыми.

Но это мухи, а интересные гены, находящиеся в половой Х-хромосоме, имеются и у людей. Их наследование, естественно, ничем не отличается от находящихся в половых хромосомах генов дрозофилы. Мы уже упоминали про гемофилию в связи с особами королевских фамилий в Европе. Все говорит о том, что данный конкретный аллель возник благодаря мутации, случившейся не где-нибудь, а в клетках зародышевого пути самой королевы Виктории. Ген, рецессивный аллель которого определяет гемофилию, находится в Х-хромосоме. Там же находится ген, рецессивный (мутантный) аллель которого определяет дальтонизм (дефект цветового зрения). В случае генов человека нас мало интересует вопрос, что будет, если скрещивать такие-то и такие-то генотипы друг с другом, поскольку люди скрещиваются друг с другом по своему усмотрению, а не по желанию экспериментатора. Но для нас небезразлична частота встречаемости соответствующих патологических фенотипов в популяции. Обозначим как p частоту в популяции мутантного аллеля, вызывающего в гомозиготе или гемизиготе гемофилию (или дальтонизм). Кто может сказать, с какой частотой у нас будут рождаться девочки, страдающие гемофилией? Чтобы страдать гемофилией, они должны иметь несчастье родиться гомозиготами по мутантному аллелю. Вероятность этого сложного события, т. е. выпадения мутантного аллеля дважды, для Х-хромосомы, полученной от матери, и Х-хромосомы, полученной от отца, есть p x p = p2. А мальчики? У них имеется единственная Х-хромосома, полученная от матери, и если она несет мутантный аллель – они будут гемофиликами. Таким образом, рождение мальчика-гемофилика – это простое случайное событие, как то попадание Х-хромосомы с мутантным аллелем от матери. Значит, мальчики с гемофилией будут рождаться с вероятностью p, равной частоте мутантного аллеля в популяции. Поскольку p, являясь частотой, по определению меньшей единицы, величина p много больше p2, т. е. мальчики-гемофилики рождаются гораздо чаще, чем девочки, что и имеет место в действительности. То же касается и дальтонизма.

Можно было бы снова порассуждать на тему, что природа-мать бережет своих дочерей, но экспериментирует, тестируя аллели на выживаемость, на сыновьях, которых и немного достаточно в качестве производителей, чтобы обеспечить потомство, тогда как каждая самка дорога, ведь ей предстоит если не воспитывать потомство, то образовывать богатые запасами яйцеклетки. Но чтобы этого не делать, достаточно вспомнить, что у многих животных гетерогаметным является женский пол. У них все схемы наследования и частоты появления самцов и самок с мутантным фенотипом в отношении генов, находящихся в половых хромосомах, остаются теми же самыми, но зеркальными в отношении самцов и самок.

 

Нерасхождения хромосом

 

Мы выяснили, что наш пол определяется комбинацией двух половых хромосом – X и Y, которые сильно различаются по генетическому содержанию, но имеют и нечто общее, позволяющее им конъюгировать друг с другом в профазе мейоза и правильно расходиться к полюсам в анафазе его первого деления. Но в их правильном расхождении иногда случаются сбои, так что гамета, а затем и зигота получает аномальный набор половых хромосом. (Чаще всего Х- и Y-хромосома отходят вместе к одному полюсу.) Такие дети развиваются и рождаются, но демонстрируют характерные наборы аномалии развития, или синдромы, с которыми вам как психологам небезынтересно будет ознакомиться.

Синдром Тернера встречается в соотношении 1 на 2 000 девочек. Он характеризуется невысоким ростом, широкой укороченной шеей (зачастую с крыловидными складками), широкой грудной клеткой, недоразвитыми молочными железами и половым оволосением, множественными родинками, определенной пространственной дезориентацией при хорошо развитом вербальном мышлении, неразвитыми половыми органами, отсутствием менструального цикла. Тот факт, что в этом случае половые органы не развиваются ни в яичники, ни в семенники, а представляют собой всего лишь тяжи соединительной ткани, тогда как развивается именно девочка, еще раз подчеркивает, что у нас женский пол развивается «по умолчанию». Причина всех этих бед – не хватает одной Х-хромосомы или значительной ее части. Носительницы синдрома Тернера в наиболее полном выражении из половых хромосом имеют всего одну Х-хромосому.

С частотой 1 : 1 000–2 000 рождаются девочки с тремя Х-хромосомами вместо двух. Их особенности не столь заметны, чтобы они были описаны в виде особого синдрома. Для них характерен высокий рост и нарушения менструального цикла.

Интересный случай представляет собой синдром Кляйнфельтера – примерно один мужчина на 1 000. Высокий рост, непропорционально длинные конечности, отложение жира на груди и бедрах по женскому типу, недоразвитые семенники, бесплодие, пассивный характер, связанный с недостатком в крови тестостерона, вялость и в то же время склонность к аффективным вспышкам, повышенная внушаемость. Как вы думаете, каков у его носителей набор половых хромосом? Две Х и одна Y. Имея Y-хромосому, такие зародыши развиваются по мужскому пути, но полноценных мужчин из них все же не получается.

В среднем один мужчина из 1 000 получает две лишние Y-хромосомы. Это случается из-за нерасхождения двух хроматид Y-хромосомы во втором делении мейоза. Такие мужчины имеют так называемое «высокое переносье» и несколько сниженные интеллектуальные способности. Долгое время сущесвовал миф, что они склонны к агрессии и антиобщественному поведению, но это не подтвердилось, по-видимому, такой вывод был сделан благодаря некоторой корреляции сниженного интеллекта и сниженной социальной адаптации.

Количество хиазм, образующихся вследствие рекомбинации между довольно несходными между собой Х- и Y-хромосомами, не всегда достаточно для надежной стабилизации бивалента X-Y в метафазе первого деления мейоза, с чем и связана относительно высокая частота нерасхождения этих хромосом. Однако не всегда нерасхождение случается только с половыми хромосомами. Как правило, чем меньше хромосома, тем больше вероятность нарушений правильного расхождения ее в мейозе. Это, по-видимому, опять-таки вызвано небольшим количеством хиазм, образующихся вследствие рекомбинации. Всем хорошо известен синдром Дауна, характеризующийся умственной отсталостью, своеобразным, несколько уплощенным типом лица и смертью в среднем возрасте. В среднем один ребенок из 700 рождается с этим синдромом, причем у молодых матерей вероятность родить «Дауна» составляет около 1 : 2 000, а у матерей после 40 лет – 1 : 22. Синдром Дауна вызван тем, что самая мелкая из хромосом, 21-я по номеру, представлена не в двух, как положено диплоидному организму, а в трех копиях. В генетике это называется трисомией. Когда хромосома, которой у диплоидного организма надлежит присутствовать в двух копиях, находится в одной копии, говорят о моносомии (и мы с вами уже рассмотрели пример моносомии по Х-хромосоме), когда она вообще отсутствует – о нуллисомии. У человека нуллисомия ни по одной хромосоме несовместима с жизнью, но вот у некоторых организмов, особенно у тех, у кого геном расфасован в очень большое число хромосом, она встречается.

 

Хромосомные перестройки

 

Через определение пола мы с вами подошли к теме хромосомных аномалий и рассмотрели такие из них, которые связаны с изменением количества хромосом. Но хромосомы могут изменяться не только в числе, но и в структуре. В таких случаях говорят о хромосомных мутациях, но чаще – о хромосомных перестройках. Хромосомные перестройки связаны с разрывами хромосом и их воссоединением. Вообще-то молекула ДНК одной хромосомы разрывается достаточно часто – к примеру, во время рекомбинации, иногда при переупаковке ДНК, когда нужно снять сверхспирализацию, но эти разрывы быстро сшиваются заново. Хромосомные перестройки возникают тогда, когда возникает более одного разрыва, а сшиваются они не так, как положено. Во время рекомбинации также возникает два разрыва, которые затем сшиваются крест-накрест, но они возникают и сшиваются в строго соответствующих друг другу точках двух гомологов. А вот если они сошьются в «незаконных точках», то это будет уже хромосомной перестройкой. Вариантов хромосомных перестроек существует множество, но все их можно свести к четырем основным типам:

делеции – два разрыва одной хромосомы сшиваются так, что участок между ними теряется. При этом хромосома лишается некоторой своей части. Можно было бы предположить, что могут существовать делеции и тогда, когда хромосома просто оборвана с одного своего конца. Однако при таких обрывах теряется теломера, которая совершенно необходима для контакта концов хромосомы с ядерной оболочкой и правильного поведения хромосом в мейозе, поэтому такая хромосома, лишенная теломеры, просто теряется;

дупликации – удвоения некоторого участка хромосомы. Такое бывает, к примеру, когда дуплицированный участок «позаимствован» у второго гомолога за счет неправильной рекомбинации в профазе мейоза. Особенно часто такое случается с повторенными друг за другом участками хромосом (тандемными повторами);

инверсии – два разрыва одной хромосомы сшиваются так, что участок хромосомы между ними оказывается перевернутым;

транслокации – два разрыва, произошедших на двух негомологичных хромосомах сшиваются так, что хромосомы оказываются обменявшимися своими участками.

Можно выделить также транспозиции – вырезание участка хромосомы и встраивание его в другое место той же или другой хромосомы, но это можно рассматривать как сочетание делеции с дупликацией или двух транслокаций.

Влияние хромосомных перестроек на организм может быть разным. Крупные делеции приводят к потере важных генов и потому летальны как минимум в гомозиготе. Дупликации приводят к увеличению копийности генов, находящихся в дуплицированном участке, что может негативно сказаться на слаженной работе генома, т. е. привести к генному дисбалансу. Крупные делеции также приводят к генному дисбалансу, даже находясь в гетерозиготе. Инверсии никак не влияют на организм, если, конечно, один или оба разрыва не пришлись на важные гены, что случается редко, а произошли в межгенных промежутках (которые обычно весьма обширны).

Однако крупные инверсии, крупные дупликации и почти все транслокации, находясь в гетерозиготе с хромосомами ненарушенной структуры, приводят к нарушениям правильного расхождения хромосом в мейозе, поскольку спаривание их гомологичных участков в профазе приводит к различным проблемам топологического характера. Гомологичные участки хромосом спариваются в любом случае, но при этом у гетерозигот по инверсиям образуются кольца, а у гетерозигот по транслокациям – кресты, вовлекающие две пары гомологов. Мы не будем вдаваться в подробности, при желании вы можете сами поупражняться в топологии и посмотреть, что происходит при спаривании хромосом при разных ситуациях. Все эти аномальные биваленты нарушают правильное расхождение гомологов и могут приводить к нерасхождению хромосом или их дальнейшим разрывам. При этом часть гамет будет получать ущербные копии гаплоидного генома, а часть – избыточные копии. В обоих случаях образуются неполноценные гаметы. Поэтому хромосомные перестройки могут не влиять на жизнедеятельность своего носителя, но создавать проблемы при его размножении.

К примеру, у человека транслокационный обмен 21-й хромосомы с одной из крупных хромосом резко повышает частоту возникновения синдрома Дауна, так как большая хромосома «прихватывает с собой» связанную теперь с ней 21-ю.

 

Наследование количественных признаков

 

Когда мы рассуждали, какие бывают признаки, то выделили класс количественных признаков, которые можно выразить вещественным числом, но не принадлежностью к какому-то альтернативному классу объектов. В случае таких признаков у нас нет ставших уже привычными фенотипических классов – не станем же мы считать отдельным фенотипом любое значение признака, – ведь на любом отрезке значений существует бесконечное количество вещественных чисел. Однако количество генотипов может быть очень велико, но заведомо небесконечно, ведь количество генов в классическом генетическом значении – как наследственных факторов, влияющих на признаки организма, – ограничено десятками тысяч, да и число аллелей ограничено конечным числом индивидуумов. Все дело в том, что развитие организма не строго определено генетически – на него всегда оказывает то или иное влияние условия среды, прежде всего во время его эмбрионального развития, а иногда в нем заложен определенный уровень случайности. Если мы возьмем такой признак, как количество рук у человека, то он почти не подвержен влиянию среды. Если же возьмем вес человека, то он с очевидностью зависит от режима его питания.

Классические примеры из учебников природоведения – одинаковые генетически одуванчики, имеющие широкие листья с плавными краями на плодородной почве и узкие изрезанные листья на сухой почве, или листья полуводного растения стрелолиста, стреловидные над водой и линейные под водой. Можно привести еще пример из соседней Томской области. Границу нашей и Томской области занимает самое большое в мире Васюганское болото. Это пространство сфагновых болот, на котором обильно растет сосна, очень похожая на японские бонсаи – карликовые деревца 2–3 м высотой с густыми ветвями, которым может быть за сотню лет. На самом деле это обыкновенная сосна, растущая в специфических условиях. На экологическом стационаре в Томской области был поставлен эксперимент – выкопана траншея глубиной, постепенно увеличивающейся до нескольких метров. Эта траншея обеспечила дренаж болотной почвы, тем больший, чем больше была ее глубина. Сосны, росшие неподалеку от траншеи, почувствовали себя лучше и начали быстро расти. В результате вдоль траншеи с нарастающей глубиной образовался строй сосен с плавно, но существенно нараставшей высотой. Это были те самые сосны, которые многие десятки лет были совершенно одинаковой небольшой высоты.

Ряд признаков животных и растений не строго детерминирован, так что допускают случайные колебания вследствие случайностей на уровне работы генетического аппарата (допустим, связался какой-то регуляторный белок, присутствующий в ничтожных количествах в ядре, с реплицирующейся ДНК или не связался). Такие колебания хорошо видны на примере случайной асимметрии каких-то признаков симметричных органов. Например, количество ячеек на правом и левом крыле стрекозы. Хорошим объектом для таких исследований послужили свободноживущие морские многощетинковые черви. Почти все сегменты их длинного тела «по своей идее» одинаковы, каждый сегмент несет с каждой стороны подвижные выросты – параподии – усаженные щетинками. Количество щетинок как на правой и левой параподии одного сегмента, так и между сегментами варьирует в пределах определенного диапазона, но совершенно случайно.

Эти примеры показывают, что диапазон значений многих признаков, которые допускает один и тот же генотип в зависимости от условий среды или даже за счет собственной нестрогости процесса развития  норма реакции признака – может быть очень велик. Неудивительно, что если у нас есть гены, влияющие на какой-то из приведенных в качестве примера признаков, то выделить этот эффект на фоне различий в условиях среды, часто нам не известных, будет непросто. Так и получается. Обычно мы без труда можем различить растения нормального и карликового гороха по росту, а в сомнительных случаях без колебаний различаем их по относительной длине междоузлия. Но не всегда эффект одного гена на признак столь велик и обычно у нас нет подсказки по другим признакам. Поэтому даже если на количественный признак влияет всего два-три разных гена, нам будет непросто различать генотипы – мы увидим всего лишь непрерывную изменчивость признака. Влияние нескольких генов на один и тот же признак называют полимерией, и классическим примером тут служит цвет волос людей. Есть несколько генов, влияющих на их окраску, у каждого есть «сильные» и «слабые» аллели – первые усиливают степень пигментации, вторые – не усиливают ее. В результате интенсивность пигментации волос зависит от общего количества «сильных» аллелей во всех этих генах. И хотя их не так и много, кто возьмется разбить людей на классы по цвету волос.

Но есть такие признаки, на значение которых влияют сотни, если не тысячи, генов. К примеру, размер тела. Любое генетическое нарушение, так или иначе влияющее на жизнь организма во время его развития (прежде всего, ухудшающее ее), скажется на размерах. Или возьмем такую важную и сложную характеристику человека, как интеллект. Интеллект – функция такой сложнейшей структуры, как мозг (и в конструктивном, и химическом отношении), в формировании которой задействовано множество генов. Понятно, что отклонения в функции каждого из этих генов скажутся на интеллекте (причем большинство – в негативную сторону). В основном эти гены наследуется независимо друг от друга, а значение интегрального признака сказывается от общего баланса «повышающих» и «понижающих» аллелей, причем для каждого гена существует не два этих типа, а произвольно количество аллелей разной «силы». Что мы получаем в результате? Мы получаем слитное наследование, очень хорошо совпадающее с интуитивной и бытовой «теорией крови», существовавшей задолго до генетики и прекрасно существующей в обиходе «нормальных людей»! Она гласит всего лишь, что признаки потомства промежуточны между признаками родителей. И для признаков, на которые влияет множество генов, эта интуитивная теория вполне верна.

Немного терминологических тонкостей. Вклад изменчивости по отдельно взятому гену в изменчивость такого интегрального количественного признака обычно невелик, как раз в силу того что таких генов очень много. Обычно он сопоставим с влиянием окружающей среды или меньше такового. Исходя из термина «полимерия», наследование таких признаков назвали полигенным, а сами подобные гены – полигенами. С развитием молекулярной генетики эти термины стали иногда приводить к недоразумениям. В геноме обнаружено много семейств структурно родственных друг другу генов, которые стали называть мультигенными семействами (к наследованию признаков это не имеет никакого отношения). Молекулярные биологи, далекие от классической генетики, иногда стали называть их «полигенными семействами» (оба слова имеют одинаковое значение – «многогенные», но одно по-латыни, другое по-гречески). В связи с бурным развитием молекулярной биологии такая стихийная «экспроприация» термина привела к тому, что гены количественных признаков теперь приходится называть английской аббревиатурой QTL (quantitative trait loci).

Нетрудно понять, что обычный генетический анализ полигенных признаков (оставим «классическую» терминологию) невозможен. Генетикам приходится проводить много измерений и вычислений, требующих изощренной математической статистики, имея на выходе обычно лишь такие результаты, как предположительное число генов, влияющих на признак, или вклад определенного участка хромосомы в наследование того или иного количественного признака.

Приведем один из самых простых примеров – формулу Кастла – Райта, позволяющую оценить число генов (N), влияющих на признак. В формулу заложены очень сильные допущения – у одного из родителей собраны в гомозиготе «сильные» аллели, у другого – все «слабые» аллели, все соответствующие локусы не сцеплены, эффект всех сильных аллелей равен друг другу и складывается (отсутствуют нелинейные эффекты взаимодействия аллелей разных генов):

N =  (p1 – p2)2 / 8(VF2VF1),

где p1 и p2 – значения признака у родителей, VF1 и VF2 – дисперсии (или вариансы, т. е. суммы квадратов отклонений индивидуальных значений признаков от среднего, деленной на общее число индивидуумов) в пределах поколений гибридов F1 и F2. Нетрудно понять, что VF1 здесь служит мерилом влияния среды, так как гибриды F1 от гомозиготных родителей должны быть генетически идентичными. Вообще, дисперсии – очень важные параметры в генетике количественных признаков. Важным понятием является, к примеру, наследуемость признака – отношение доли наследуемой части дисперсии признака к общей его дисперсии.

Кстати, условие, гласящее, что эффекты аллелей всех локусов должны просто складываться (это называется аддитивным наследованием), которое необходимо для многих расчетов, как правило, выполняется, если рассматривать не сами значения признаков, а их логарифмы. Это возникает вследствие того, что признаки формируются в ходе индивидуального развития организма, которое по сути есть очень сложная химическая реакция, происходящая под управлением генов, которые в определенные моменты обеспечивают определенные концентрации определенных веществ. Эти концентрации выступают как сомножители в уравнениях скоростей составляющих индивидуальное развитие реакций, а значения признаков напрямую зависят от каких-то из этих (или даже всех) скоростей. Поэтому индивидуальные вклады отдельных генов в количественный признак обычно не складываются, а перемножаются, то есть каждый ген увеличивает или уменьшает значение признака во сколько-то раз (допустим, один ген увеличивает закладку какого-то органа в 1,5 раза, потом включается другой и увеличивает ее еще в 1,2 раза). Как известно, логарифм произведения есть сумма логарифмов сомножителей. Поэтому и получается, что логарифм значения признака складывается из суммы, а не произведения, вкладов разных генов. А согласно центральной предельной теоремы матстатистики, распределение суммы многих независимых случайных величин стремится к нормальному распределению.

Как видите, генетика может быть очень непростой наукой и во всех своих проявлениях, простых и сложных, тесно связана с математикой. Объем нашего курса не позволяет углубляться в сложности, поэтому на этом наше знакомство с генетикой мы закончим.